民航客機駕駛艙人因設計研究綜述分析

摘要：為研究現代民航客機駕駛艙人因設計的發展歷程和應用現狀，文章首先通過文獻綜述回顧國內外民航客機駕駛艙人因設計研究的最新成果和相關發展，全面了解該領域的研究方向、方法和創新成果。同時，探索民航客機駕駛艙人因設計所涵蓋的內容和相關標準，包括對座艙布局、人機界面、人體工程學原理等方面的研究和規范。通過總結這些內容，可以概括國內外民航客機駕駛艙人因設計研究的整體情況，識別出目前存在的問題和挑戰。隨著技術的不斷進步和飛行員需求的變化，駕駛艙人因設計需要不斷創新和演進。綜合各種因素，如人體工程學、人機交互、認知心理學等，提出新的設計理念和方法，以滿足飛行員的需求并提高工作效率和保障飛行安全。通過對現有研究成果的分析和討論，文章旨在為后續相關研究提供有價值的參考。希望通過推動駕駛艙人因設計的進一步發展，為航空工業提供更先進、人性化的駕駛艙設計，從而提升飛行員工作環境的舒適度，并保障飛行安全和提高效率。

關鍵詞：民航客機；駕駛艙；人因設計；飛行安全

中圖分類號：V223.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）20-0-03

提升飛行安全性一直是航空業關注的重要課題。在航空工業和航空醫學取得長足發展的今天，“人”成為制約飛行安全的主要因素。而駕駛艙作為飛行人員的工作場所，其設計復合性和集合度最高。人為因素在駕駛空間環境中扮演著重要角色，涵蓋了飛行人員各個方面的思考。人機界面對飛行人員的體力、心理狀態、工作效率產生重大影響。為了確保飛行人員的工作環境和操作界面符合其需求和能力，需要綜合考量各個因素，不斷優化駕駛艙人機界面。這有助于提升飛行安全性，使駕駛人員能夠更高效地履行其職責，并促進整個航空業可持續發展。

1 民航客機駕駛艙人因設計的發展演變

近百年來，民航客機的設計經歷了持續演化和改進，取得了令人矚目的進展。20世紀20年代中期，德國和美國的一些飛機制造商不再遵循將轟炸機改裝為客機的傳統，而開始為運輸旅客專門設計飛機。這一創新標志著民航客機設計迎來了嶄新的時代。隨著時間的推移，一系列關鍵技術和設計理念的不斷引入改善了民航客機的性能。首先是封閉式客艙的出現，使乘客能夠在更安全、隱私和舒適的環境中旅行。隨后，增壓客艙的應用進一步提升了飛行安全性和乘坐舒適度，克服了高海拔飛行中的氧氣稀薄問題。另一個重要的里程碑是渦噴發動機的引入。與傳統的活塞發動機相比，渦噴發動機具有更強的推力和更高的燃油效率，同時減少了噪聲和振動。這使民航客機更加經濟和環保，并提升了乘客的舒適度。渦噴發動機的引入促使民航客機成為人們普遍接受的交通工具，大大推動了民航業的發展。

在民航客機設計中，駕駛艙的重要性不言而喻（見圖1）。民航客機的駕駛員不同于其他類型飛機的駕駛員，他們不僅需要負責飛機的安全，還需要關注機上乘客的安全。因此，駕駛艙成為飛行員工作的場所，也是整個飛機上人機關系最為復雜的空間之一。駕駛艙的設計對飛行員操作具有直接影響，因此在民航客機設計中具有重要的地位。

駕駛艙設計需要充分考慮飛行員的操作需求及緊急情況下的應對能力。一個擁有良好設計的駕駛艙能夠提供清晰的儀表顯示、易于操作的控制裝置以及人性化的人機交互界面，幫助飛行員更好地理解和掌控飛機的狀態和操作。同時，駕駛艙設計應考慮到緊急情況下的應急操作，以確保飛行員能夠迅速作出正確的決策并采取相應的措施。

綜上所述，民航客機設計的演化歷程中，駕駛艙的重要性逐漸凸顯。隨著技術的發展和駕駛員需求的變化，駕駛艙設計不斷演進，旨在提供更安全、高效和人性化的工作環境，以確保飛行的安全性和舒適性。

人因工程學是20世紀40年代后期跨越不同學科和領域，研究人的特性和工作條件與機器相匹配的學科，是一門研究、應用范圍都非常廣泛的綜合性邊緣學科，是技術科學、環境科學、解剖學、人類學、心理學等學科的交叉，研究人機環境系統最優組合的工程技術科學［1］。航空安全中對人因的應用可以追溯到20世紀70年代，其研究經歷了兩個階段。首先是從20世紀70年代初到80年代后期，人們對人因的研究受到技術的限制，應用人因工程學理論改善飛行器、駕駛艙和各個組件的設計，以實現良好的人機搭配。在20世紀80年代后期，“人”成為制約飛行安全的主要因素，于是人們將研究范圍擴展為人與各種資源的組合利用，其中最知名的是機組資源管理（CRM）的引入。自20世紀90年代以來，人為因素研究進入了系統安全的階段，標志性結果包括Reason模型的應用及由Reason教授提出的組織原因理論。

國內對人、機、環境等因素的研究始于20世紀80年代后期。其中，駕駛艙幾何設計、儀器和照明工程心理學等方面的研究進展比較迅猛，并取得了豐富的技術成果和經驗，且成功應用于型號設計中。然而，在航空電子技術、智能技術、生物力學、信息控制技術等方面，國內的研究相對滯后于西方國家。駕駛艙設計對人因工程學的要求不斷提高?？梢哉f，以飛行員為中心的駕駛艙設計理念日益得到更多關注，而駕駛艙的人機工效水平則成為評價其設計和布置是否先進的重要指標。

2 民航客機駕駛艙人因設計研究現狀

2.1 國內研究現狀

白穆和莊達民用JACK軟件分析了飛行人員手部和足部的可變域和舒適域［2］。為解決JACK軟件不透明性的問題，他們構建了簡單的人體模型，分析了飛行員在坐姿狀態下的腰椎受力情況，再通過與JACK軟件的結果進行對比，發現兩種方式的結果是一致的。此項研究支持飛行人員人機界面設計和人體工程學優化，強化了綜合應用軟件分析和簡單人體模型的重要性，為相關領域提供了有益啟示。王俊針對我國飛行員的人體尺寸，建立了一套人體運動模型［3］。通過運動鏈的變換矩陣，他借助MATLAB計算了飛行員上下肢的舒適域和可達域。同時，他使用CATIA建立了飛行模型，并配合DELMIA插件驗證了飛機人機界面的合理性。這種綜合分析和驗證過程有助于確保飛行人員在駕駛艙內的交互環境符合人體工程學原理，提高飛行人員的工作效率和舒適度。

羅曉利等關注的重點是駕駛艙內各主要部件的空間布局［4］。他們的目標是通過合理的設計和安排，使座椅、駕駛桿、腳蹬、控制器和儀表板在駕駛艙內處于適當的位置，以方便飛行人員能夠及時、準確地獲取所需信息（見圖2）。他們的研究旨在確保駕駛艙的設計與飛行員的身體結構、生理和心理特征相匹配，從而提供更好的人機交互體驗。通過優化空間布局，創造一個符合人體工程學原理的設計，使飛行人員在工作中足夠順暢地操作各種設備，提高工作效率和飛行安全性。

王俊和徐惠民對輕型飛機駕駛艙進行了設計和分析，以滿足人因工程學要求［5］。他們考慮了座艙的各項參數（見圖3），通過詳細細節描述和精確調整座面和靠背的高度及傾角，提高了座艙的舒適度。此外，沈維蕾對不同功能的座艙進行了個人化設計［6］。她研究了座艙的各項參數，通過定制化設計，滿足了不同飛行任務的需求，提供了更好的工作環境和舒適度。綜合這些研究成果，他們的設計和分析工作使輕型飛機駕駛艙符合人因工程學，并提高了座艙的舒適度。這些努力改變了飛行人員的工作環境，提升了駕駛艙人機交互的質量，提高了飛行安全性和工作效率。

2.2 國外研究現狀

國外有關學者深入研究了飛行員疲勞問題，其研究提醒人們除了關注飛機性能和自動化設計之外，也應重視飛行員的行為，強調飛行員的舒適性需求是人機界面設計首先需要考慮的，這樣可以緩解疲勞。

還有一個重要觀點認為在座椅的舒適度設計中，目標人群的喜好也是值得被考慮的因素，這意味著座椅設計師不僅需要依照人因工程學的標準，還要深入了解飛行員的需要，并根據他們的喜好來設計座椅，以提供更好的支持。為了進一步改善座椅的舒適性并減輕腰背負荷，宇藤宏及其團隊通過對駕駛員座椅的腰部、側面及座面進行重新設計，并為其配備可調節的頭枕和橡膠墊，為駕駛員提供了更好的腰背支撐，提升了舒適性。這樣的設計有助于減輕飛行員在長時間飛行中的腰部負荷，提供更好的乘坐體驗和工作環境。這種新型座椅的設計充分考慮了人體工程學和飛行員的需求，為飛行員提供了更好的工作條件和乘坐體驗。通過這些改進，飛行員能夠更好地應對長時間飛行帶來的不適，并提高工作效率和專注度。

圣約翰等人對顯示器在何時顯示2D和3D圖像進行了深入研究。他們的研究旨在探討不同情境下選擇不同圖像類型的合理性。他們通過觀察和分析，得出了一些重要結論。一方面，他們發現2D圖像在確定位置和角度數據方面具有明顯優勢。這是因為2D圖像能夠提供更準確的空間坐標和方向信息，使飛行員能夠更精確地判斷和定位目標。這對需要準確導航和目標追蹤的任務非常重要。另一方面，他們指出3D圖像在理解形狀和地形方面具有獨特優勢。通過呈現真實的三維視覺效果，3D圖像能夠提供更全面和直觀的空間感知，使飛行員能夠更好地了解周圍環境的復雜性和幾何特征。這對需要評估地形、障礙物和目標物體形狀的任務非常重要。然而，圣約翰等人強調，選擇何時使用2D或3D圖像應基于當前任務狀態和需求。不同的任務可能需要不同的信息呈現方式。例如，在需要準確判斷位置和角度的任務中，使用2D圖像可能更加合適。而在需要深入了解環境和地形的任務中，則更傾向于使用3D圖像。

3 結語

國產大飛機C919已正式投入運營，作為我國首款具有完全自主知識產權的大型噴氣客機，其研發和生產代表了中國航空工業在技術上的重大突破和自主創新能力的提升，對中國航空工業來說是一個重要的里程碑。未來，在客機駕駛艙設計中，人因設計將發揮重要作用。

飛行員作為最終使用者，能夠提供寶貴的見解和意見。通過與飛行員的互動和了解，可以更全面地評估人機界面的交互效果，并針對他們的實際感受進行優化和改進。這種實踐導向的方法能確保相關設計和解決方案真正符合飛行員的需求，提供更好的工作環境，以提高工作效率和飛行安全性。

參考文獻：

［1］ 劉雅婧.汽車駕駛室人機界面設計技術研究［D］.西安：西北工業大學，2007.

［2］ 白穆，莊達民.飛機駕駛艙操縱裝置布局優化［J］.民用飛機設計與研究，2009（S1）：152-155.

［3］ 王俊.輕型運動飛機座艙人機界面設計與分析研究［D］.南京：南京航空航天大學，2010.

［4］ 羅曉利，張薇.人因工程學在飛機駕駛艙空間布局設計中的應用［J］.中國民航飛行學院學報，2012（3）：31-34，38.

［5］ 王俊，徐惠民.基于人機工程學的輕型運動飛機座椅設計方法研究［J］.江蘇航空，2010（3）：5-7.

［6］ 沈維蕾.基于人因工程學的座椅設計與評價［J］.機械工程師，2005（10）：72-73.

作者簡介：劉偉（1994—），男，安徽安慶人，碩士在讀，研究方向：產品造型藝術及其應用實踐。